晶体管是现代集成电路的基础。随着芯片上器件集成度的提升,作为基本元件的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）尺寸的缩小也开始变得越来越困难。一方面,由于传统半导体硅特征尺寸的缩小已经接近其物理极限,人们需要寻找新型低维半导体材料以实现晶体管沟道尺寸的进一步减小。近年来以半导体纳米线、碳纳米管为代表的一维半导体和以石墨烯、层状二硫化钼为代表二维半导体成为了研究的热点,有望成为晶体管中硅的替代者。另一方面,人们需要大力研究高介电常数介质的应用,以实现晶体管中的栅介质层等效厚度的降低。电介质中的铁电材料通常具有很高的相对介电常数,除此之外,铁电介质层的剩余极化特性可以用于构筑非易失性的半导体存储器。近年来还发现,铁电介质层的负电容效应还可以用于放大栅压对半导体沟道的调制作用,能够有效抑制场效应晶体管中非理想的亚阈值电流的出现。因此,栅介质层中包含铁电材料的铁电场效应晶体管在逻辑器件和存储器件中都有着巨大的应用潜力。相对MOSFET,铁电场效应晶体管最大的优势就是低功耗,更有利于集成度的提高。为了结合低维半导体材料和铁电场效应晶体管在提升器件集成能力方面的优势,在本论文中,我们以氧化铟纳米线和二硫化钼作为半导体沟道,对三种不同类型的铁电场效应晶体管的性能、工作机理和应用进行了研究,具体工作如下:1.基于氧化铟纳米线晶体管的铁电存储器的研究。近年来以铁电场效应晶体管作为存储单元的铁电存储器由于具有工作能耗低,存储密度高等优点获得了大量关注。我们将氧化铟纳米线晶体管高开关比和P（VDF-TrFE）有机铁电聚合物剩余极化稳定的优点相结合,设计了一种新型侧栅结构的纳米线铁电存储器。与常规栅极结构不同,在侧栅结构中铁电介质的沉积是作为器件制备的最后一步进行,不仅简化了工艺流程,还避免了有机铁电介质层在后续的工艺步骤中受到损伤而产生性能退化。制备得到的器件表现出大于10⁶的写入/擦除比,极小的栅极漏电（<10^-1212 A）和良好非易失性存储特性。此外,我们还系统地研究了器件存储窗口与栅极几何尺寸的关系,可以实现对器件工作电压和存储窗口大小的人工控制。该研究工作表明氧化铟纳米线铁电场效应晶体管在非易失性存储领域具有巨大应用潜力。2.氧化铟纳米线负电容场效应晶体管的研究。在常规的MOSFET中,由于受到电子玻尔兹曼分布的限制,器件的亚阈值斜率在室温下理论极限为60mV/dec,限制了晶体管能耗的降低。我们以一维氧化铟纳米线作为半导体沟道,通过在MOS栅介质堆叠中插入一层铁电介质层,制备出了高性能的负电容场效应晶体管。氧化铟纳米线一维的几何结构和低介电常数的特性使其容易实现负电容晶体管中的电容匹配要求。制备得到的器件表现出优异的栅压调制能力,漏电流在变化4个数量级范围中亚阈值斜率可以始终保持在60 mV/dec以下,同时器件的饱和输出电流可以达到550μA/μm。利用氧化铟纳米线负电容场效应晶体管组装的反相器电路可以获得大小为25的电压放大增益,截止频率达到10 MHz以上。我们还通过自对准的组装过程制备短沟道的负电容器件以研究其沟道长度缩小特性。结果表明,沟道长度缩小至200 nm时器件表现出最优的性能,开关比大于10⁷,饱和输出电流达到960μA/μm,同时亚阈值斜率小至42 mV/dec。以上的工作探究了一维半导体纳米线在负电容场效应晶体管中的适用性,拓展了负电容栅堆叠结构的应用领域。3.利用铁电介质结构优化二硫化钼顶栅晶体管的性能。在基于二硫化钼的顶栅场效应晶体管中通常会出现一定的回滞现象,限制了器件的实际应用。有机介质PMMA简单无破坏的沉积工艺和良好的钝化效果可以使沟道/介质层界面中缺陷大幅减少,但是由于PMMA的介电常数较低,作为栅介质层时晶体管需要较大的工作电压。因此,我们使用高k铁电介质P（VDF-TrFE）与低k介质PMMA组成栅极堆叠,成功构建了P（VDF-TrFE）/PMMA双介质层MoS₂顶栅晶体管。器件保留了MoS₂/PMMA界面良好的界面质量,表现出无回滞的工作特性。同时,器件还可以在较低栅压下实现开关状态的切换,在工作电压4 V以可以实现大于10⁶的电流开关比。此外,器件的表面态密度低至6.8×10¹¹ cm^-2/eV,与典型的MoS₂顶栅场效应晶体管相比有大幅减小。我们还进一步对器件进行了低频噪声特性的测试,证明在P（VDF-TrFE）/PMMA双介质层MoS₂顶栅晶体管中1/f噪声现象符合载流子数量涨落机制的描述,与使用SiO₂作为介质层的MoS₂晶体管相一致。该工作为优化二硫化钼沟道和栅介质层界面,实现无回滞、低工作电压的二硫化钼顶栅晶体管提供了一种有效的方法。